《科学》围观“磕糖”：中国科学家揭示糖分子激活味蕾的高清过程
学术经纬约 5 分钟▎药明康德内容团队编辑
我们常用“味蕾被激活了”来形容享受美味时的感受，而在科学家看来，细胞层面确实如此：食物中特定的分子与味蕾里的味觉细胞相遇，会激发味觉细胞产生微小的电流，进一步向大脑报告食物的味道，从而让大脑辨析食物成分，做出趋利避害的决策。
对人类来说，甜味属于五种基本味觉（甜、咸、苦、酸、鲜味）之一，甜味往往代表着营养和美味。比起人类，热爱水果的果蝇似乎对糖更加渴求。果蝇的嘴、翅膀边缘、腿和产卵器都分布有甜味神经细胞，几乎浑身都在感知甜味。
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▲果蝇感知水果中的不同糖分子（图片来源：研究团队提供）
而利用单颗粒冷冻电镜技术，研究人员以2.5-2.6 Å的分辨率分别解析了甜味受体GR43a和GR64a在未结合（称为apo态）以及结合糖分子状态的三维结构。
俯视图可以看到，四聚体组成的GR43a和GR64a如同“四叶风车”，每“叶”GR亚基包含7个跨膜螺旋，其中前6个跨膜螺旋S1-S6组成结合糖分子的区域，而来自四个GR亚基的第7个跨膜螺旋S7b形成供离子流入的中央孔道。
▲GR43aapo的结构。A. GR43aapo密度图的侧视图和俯视图。B. GR43aapo单个亚基的侧视图。（图片来源：研究团队提供）
论文共同通讯作者郭江涛教授长期从事离子跨膜运输的分子机制研究，在他看来，这两种昆虫甜味受体与糖分子结合的三维结构有两大“看点”：第一是糖分子结合“口袋”的高度选择性，这决定了不同的甜味受体会被不同类型的糖分子激活。
其中，GR43a的“口袋”狭窄，可以识别单糖分子果糖，但不能容纳二糖，也不能稳定容纳葡萄糖等单糖；GR64a的“口袋”更大更平坦，具有结构可塑性，可结合蔗糖和麦芽糖等二糖，但不能容纳单糖。
▲GR43a和GR64a中的糖结合模式。A. GR43a LBD中果糖结合口袋的表面模型。B.果糖与周围氨基酸的相互作用。C. GR64a LBD中蔗糖结合口袋的表面模型。D.蔗糖与周围氨基酸的相互作用。E. GR64a LBD中麦芽糖结合口袋的表面模型。F.麦芽糖与周围氨基酸的相互作用。（图片来源：研究团队提供）
第二大“看点”在于“风车”中心离子通透孔道的开合方式。以GR43a为例，未结合糖分子时处于关闭状态；当结合果糖分子，第5个和第6个跨膜螺旋移动，进而导致第7个跨膜螺旋弯曲，使其中心孔道就有了明显“扩张”，细胞外的阳离子得以进入细胞内。
▲GR结合糖分子后孔道开放（视频来源：研究团队提供）
研究团队介绍，这项工作带来了许多新的启示。一方面，通过揭示了糖分子如何结合并激活果蝇的甜味受体，为进一步了解昆虫味觉受体家族的不同成员如何感知不同的味道提供基础。味觉对于昆虫的生理和行为有重要作用，因此这项工作也可以指导开发新型害虫引诱剂或驱虫剂，用于害虫防治。
此外，味觉受体和与其相似的嗅觉受体还可以感受信息素、温度、光等多种化学和物理信号。揭示味觉受体被激活的过程，也为研究昆虫感知外界信号的分子机制打下基础。
对于人类来说，糖分子激活味蕾的过程有所不同，因为我们的甜味受体是另一类跨膜蛋白——G蛋白偶联受体。但是，人体中同样广泛存在这项研究关注的同类型受体蛋白，其分子功能和识别配体却并不清楚。昆虫味觉受体的分子结构信息或将有助于人类破解相关生命现象。
浙江大学医学院博士生马德敏、浙江大学医学院/良渚实验室胡美钦研究员、浙江大学医学院博士生杨晓彤和浙江大学医学中心博士后刘强为论文共同第一作者。浙江大学基础医学院/医学院附属第四医院郭江涛研究员、浙江大学医学院/良渚实验室徐浩新教授、中国科学院植物生理生态研究所范敏锐研究员、浙江大学医学院附属第四医院/浙江大学“一带一路”国际医学院/浙江大学国际健康研究院苏楠楠研究员为该论文共同通讯作者。此外，浙江大学医学院博士生叶繁和蔡伟杰、浙江大学医学院杨巍教授、浙江大学生命科学学院王勇研究员、中国海洋大学药学院徐锡明研究员、浙江大学冷冻电镜中心常圣海博士、中国科学院植物生理生态研究所王睿瑛、天津大学生命科学学院叶升教授也在其中做出了重要贡献。本研究受中国科学技术部、国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石项目、浙江省自然科学基金、国家杰出青年科学基金以及国家科技创新2030重大计划等资助。
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